기능 등급 재료

Functionally graded material
Segmented FGM with n layers
분할된 기능 등급 재료

재료 과학에서 기능 등급 재료(FGM)는 부피에 걸쳐 구성과 구조의 변화가 점차적으로 변화하여 재료 특성에 상응하는 변화를 가져오는 것으로 특징지어질 수 있다. 재료는 특정한 기능과 용도에 맞게 설계될 수 있다. 대량(부품화 가공), 프리폼 가공, 레이어 가공, 용융 가공에 기초한 다양한 접근방식이 기능적으로 등급이 매겨진 재료를 가공하는 데 사용된다.

역사

FGM의 개념은 1984년 일본에서 우주 평면 프로젝트 동안 처음 고려되었는데, 여기서 사용된 재료 조합은 표면 온도 2000 K와 온도 구배를 10 mm 구간에 걸쳐 1000 K를 견딜 수 있는 열 장벽의 목적을 제공한다.[1] 최근 몇 년 동안 이 개념은 유럽, 특히 독일에서 더 인기를 끌었다. 열역학적으로 결합된 제조 공정을 사용하여 강철, 알루미늄, 폴리프로필렌과 같은 단일 물질의 등급을 매기는 잠재력을 활용하기 위해 2006년부터 지역간 협력 연구 센터(SFB Transregio)가 자금 지원을 받고 있다.[2]

일반 정보

FGM의 기본 구조 단위는 maxel로 대표되는 요소 또는 재료 성분이다. maxel이라는 용어는 RCAM(Research Center for Advanced Manufacturing)의 라지프 드위베디와 라도반 코바체비치(Radovan Kovacevic)가 2005년 도입했다.[3] maxel의 속성은 개별 재료 구성요소의 위치 및 부피 분율을 포함한다.

또한 maxel은 적층 제조 공정(예: 스테레오그래피, 선택적 레이저 소싱, 퓨전 증착 모델링 등)의 맥락에서 사용되어 고속 시제품 제작 또는 고속 제조 공정의 제작 분해능을 규정하는 물리적 복셀('볼륨'과 '원소'의 포트만테우)을 기술한다. 그러한 제조 수단으로 생산된 설계의 분해능

적용들

FGM에는 여러 가지 적용 분야가 있다. 특정 구배와 함께 한 재료에서 다른 재료로 미세구조를 변화시켜 복합재료를 만드는 개념이다. 이를 통해 재료는 두 재료의 장점을 모두 가질 수 있다. 열, 부식 저항성 또는 유연성과 강인성인 경우 재료의 두 가지 강점을 모두 사용하여 부식, 피로, 파단 및 응력 부식 균열을 방지할 수 있다.

두 물질 사이의 전환은 대개 동력 시리즈를 통해 대략적으로 추정할 수 있다. 항공기 및 항공우주 산업과 컴퓨터 회로 산업은 매우 높은 열 구배를 견딜 수 있는 재료의 가능성에 매우 관심이 많다.[4] 이것은 보통 금속층과 연결된 세라믹 층을 사용하여 달성된다.

항공교통국(Air Vehicles Directorate)은 아래에서 볼 수 있는 기능 등급의 티타늄/타이타늄 붕사이드 시험 표본에 대한 준정적 휨 시험 결과를 실시했다.[5] 시험은 각 원소가 고유의 구조 및 열 특성을 갖는 4각 망사를 사용한 유한요소해석(FEA)과 상관관계가 있다.

첨단 재료 및 공정 전략 연구 프로그램(AMPSRA)은 Zr02와 NiCorCralY를 사용한 열 장벽 코팅 생산에 대한 분석을 수행했다. 그들의 결과는 성공적인 것으로 증명되었지만 분석 모델의 결과는 발표되지 않았다.

적층 가공 공정과 관련된 용어의 명칭은 영국 Lougborough 대학의 RMRG(Rapid Manufacturing Research Group)에서 유래되었다. 이 용어는 적층 CAD-CAM 제조 공정과 관련된 다양한 세부 사항과 직접적으로 관련된 용어의 서술적 분류법의 일부를 구성하는데, 원래 건축가 토마스 모덴이 앞서 언급한 기법의 적용에 수행한 연구의 일부로 확립되었다.

탄성 계수의 구배는 접착 접점의 파괴 강도를 근본적으로 변화시킨다.[6]

모델링 및 시뮬레이션

탄도 검사 후 기능 등급의 갑옷 타일(전면 및 후면)

유한요소법이 가장 인기 있는 것으로 FGM의 기계적 반응을 모델링하기 위한 수치적 방법이 개발되었다. 초기에는 동질 원소의 행(또는 기둥)을 이용하여 재료 성질의 변동을 도입하여 기계적 성질에 불연속적인 단계형 변동을 초래하였다.[7] 이후, Santare와 Lambros는 기능적으로 등급이 매겨진 유한 요소를 개발했고, 여기서 기계적 특성 변화가 요소 수준에서 일어난다. 마르티네스 파녜다와 갈레고는 이 접근방식을 상업적 유한요소 소프트웨어로 확장했다.[9] FGM의 접촉 특성은 경계 요소 방법(비접착 및 접착 접점 모두에 적용할 수 있음)[10]을 사용하여 시뮬레이션할 수 있다. 분자역학 시뮬레이션은 기능적으로 등급이 매겨진 물질을 연구하기 위해 구현되었다. M. 이슬람교는 분자역학 시뮬레이션을 이용하여 기능적으로 등급이 매겨진 Cu-Ni 나노와이어의 기계적 및 진동적 특성을 연구했다.

기능적으로 등급이 매겨진 재료 구조의 역학은 많은 저자들에 의해 고려되었다.[12][13][14][15]

참조

  1. ^ "Functionally Graded Materials (FGM) and Their Production Methods". Azom.com. 2002-08-22. Retrieved 2012-09-13.
  2. ^ "Home". Transregio-30.com. Retrieved 2012-09-13.
  3. ^ R Dwivedi1 S Zekovic1 R Kovacevic1 (2006-10-01). "Field feature detection and morphing-based process planning for fabrication of geometries and composition control for functionally graded materials". Pib.sagepub.com. Retrieved 2012-09-13.
  4. ^ NASA.gov
  5. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2011-06-05. Retrieved 2008-04-27.CS1 maint: 제목으로 보관된 복사본(링크)
  6. ^ Popov, Valentin L.; Pohrt, Roman; Li, Qiang (2017-09-01). "Strength of adhesive contacts: Influence of contact geometry and material gradients". Friction. 5 (3): 308–325. doi:10.1007/s40544-017-0177-3. ISSN 2223-7690.
  7. ^ Bao, G.; Wang, L. (1995). "Multiple cracking in functionally graded ceramic/metal coatings". International Journal of Solids and Structures. 32 (19): 2853–2871. doi:10.1016/0020-7683(94)00267-Z.
  8. ^ Santare, M.H.; Lambros, J. (2000). "Use of graded finite elements to model the behaviour of nonhomogeneous materials". Journal of Applied Mechanics. 67 (4): 819–822. Bibcode:2000JAM....67..819S. doi:10.1115/1.1328089.
  9. ^ Martínez-Pañeda, E.; Gallego, R. (2015). "Numerical analysis of quasi-static fracture in functionally graded materials". International Journal of Mechanics and Materials in Design. 11 (4): 405–424. arXiv:1711.00077. doi:10.1007/s10999-014-9265-y. S2CID 54587103.
  10. ^ Li, Qiang; Popov, Valentin L. (2017-08-09). "Boundary element method for normal non-adhesive and adhesive contacts of power-law graded elastic materials". Computational Mechanics. 61 (3): 319–329. arXiv:1612.08395. Bibcode:2018CompM..61..319L. doi:10.1007/s00466-017-1461-9. ISSN 0178-7675. S2CID 119073298.
  11. ^ Islam, Mahmudul; Hoque Thakur, Md Shajedul; Mojumder, Satyajit; Al Amin, Abdullah; Islam, Md Mahbubul (July 12, 2020). "Mechanical and Vibrational Characteristics of Functionally Graded Cu-Ni Nanowire: A Molecular Dynamics Study". Composites Part B: Engineering. 198: 108212. arXiv:1911.07131. doi:10.1016/j.compositesb.2020.108212. S2CID 208139256.
  12. ^ 엘리사코프, I, 펜타라스, D, 젠틸리니, C, 기능 등급 재료 구조 기계, 세계 과학/제국 대학 출판부, 싱가포르; 323, ISBN 978-981-4656-58-0, 2015
  13. ^ Aydoglu M, Maroti, G, Elishakoff, I, 축방향 차등보의 좌굴에 대한 반인버스법에 관한 참고서, 플라스틱 및 복합재료 저널, Vol.32(7),511-512, 2013
  14. ^ 카스텔라치, G, 겐틸리니, C, Krysl,P, Elishakoff, I, 복합구조물, Vol.103,197-200, 2013년 노달 통합 유한요소접근법을 이용한 기능 등급 판의 정적 해석
  15. ^ Elishakoff, I, Zaza, N, Curtin, J, Hashemi, J, AIAA Journal, Vol. 52(11) 2587-2593, 2014년 기능 등급 회전빔의 진동을 위한 최초의 폐쇄형 솔루션"으로 보인다.